【正文】 何更好的發(fā)展和應用步進電機是非常值得思考的。 在微電子個計算機技術高速發(fā)展的情況下，步進電機也朝著小型化矩形化發(fā)展以適應當前各種設備的需要，所以本課題對于步進電機控制的研究具有十分重要的意義。 3 第二章 總體方案設計 本設計是使用 STC89C52 為控制元件，設計出一種基于單片機步進電機的控制系統(tǒng)。下圖是系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框 圖。 （ 1）中央處理器模塊主要由振蕩電路和復位電路構(gòu)成。復位電路就是系統(tǒng)運行時在受到外部干擾，內(nèi)部程序運行出錯時，通過按下復位按鈕可以讓原程序重新開始運行，保證了單片機的正常啟動 [6]。 （ 3）本世紀的進電機驅(qū)動模塊選用驅(qū)動器 ULN2021 為步進電機提供電脈沖 4 信號，進而驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。 （ 4）電源模塊是通過整流橋?qū)⒆儔浩鹘祲哼^來的交流電壓轉(zhuǎn)化為直流 5V供給其他四個模塊 。 本章首先簡單的說明了該設計的思想，在控制低成本，且能完成該設計的情況下，通過 綜合考慮 用了以 STC89C52 單片機作為本設計系統(tǒng)的控制核心元件。中央處理器模塊電路圖如下： X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 /R D17P 3 .6 /W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 /A 821P 2 .1 /A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 2C11 0 u Fs w1G NDX1CR Y S T A LC23 0 p FC33 0 p F+ 5 VR11 0 k 圖 2中央處理器模塊電路圖 單片機 （ 1）概述 單片機也就是微型處理器，世界上第一個位微處理器是因特爾公司研制出來的?；谶@種單片機的操作系統(tǒng)在當代仍有使用。其中運算器的功能是執(zhí)行各種算術的運算和邏輯比較；控制器的功能是指令的存取以及控制 CPU 與和輸入輸出設備的數(shù) 據(jù)交換。 單片機具有一些明顯的有點，體積小、重量輕而且價格便宜，為學生的學習和研發(fā)人員提供了便利的條件。單片機的出現(xiàn)首先應用在工業(yè)領域。 8051 是一款飽受好評的單片機，它生產(chǎn)出來之后就被大量使用。經(jīng)過無數(shù)次的發(fā)展， 6 2021 年 ARM 退出了 32 位的高端單片機，但是其價格比較昂貴，沒有 8051 性價比高。 在二十一世紀，單片機存在在各種電子器件產(chǎn)品中，最典型的我們周中使用的手機，電話，游戲機等 ，家庭的家用電器，筆記本電腦內(nèi)部都有單片機。單片機是世界上使用數(shù)量最多的處理器。 STC89C52 的運算速度是早期 8051 的 10 倍左右。 [9] （ 3）引腳功能說明 圖 3 單片機引腳功能圖 VCC：電源電壓。 P0 口（ 32 腳～ 39 腳）：通常被定義為數(shù)據(jù) /地址的低八位，適用于外部數(shù)據(jù)寄存器。 7 P1 口（ 1 腳～ 8腳）：是一個輸入輸出的端口，每個端口可以獨立控制。 P3 口（ 10 腳～ 17 腳）：可以作為一個輸入輸出端口，也可以充當單片機的一個特殊功能端口。復位電路一般包括上電復位和按鍵復位，本設計采用的按鍵復位，通過一個獨立按鍵來手動控制電路的復位。單片機的晶振的實質(zhì)作用是給中央處理器提供時鐘電路，單片 機工作運行的速度與晶振提供的頻率有關。振蕩電路圖如下： C23 0 p FC23 0 p FX1 CR Y S T A LX T A L 1X T A L 2 圖 5 振蕩電路圖 本設計顯示部分采用 12864 液晶顯示器，通過各個端口的定義，在 12864上動態(tài)的顯示步進電機的速度和方向。 12864 液晶顯示器是一種內(nèi)部含有簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊。其串口借口引腳信號表如下 [11] ： 表 串口接口管腳信號 引腳號 引 腳名稱 引腳功能 1 VSS 電源地 2 VDD 電源正 3 V0 對比度（亮度）調(diào)整 4 RS 低電平時，數(shù)據(jù)顯示 高電平時，指令數(shù)據(jù)顯示 5 R/W 高電平時，數(shù)據(jù)讀 低電平時，數(shù)據(jù)寫 6 E 使能信號 714 DB0DB7 八位數(shù)據(jù)三態(tài)線 15 PSB 高電平時，并口方式 低電平時，串口方式 16 NC 空腳 17 /RESET 復位端，低電平有效 18 VR LCD 驅(qū)動電壓輸出端 本系統(tǒng)設計的主要目的是為了有效的控制步進電機的轉(zhuǎn)動速度個運轉(zhuǎn)方向，所以我們要 把單片機的電脈沖信號轉(zhuǎn)化為能使步進電機轉(zhuǎn)動的步距角，本設計中我采用了驅(qū)動器 ULN2021 作為脈沖信號的提供原。轉(zhuǎn)子在該磁場的作用下旋轉(zhuǎn)一個角度，從而讓轉(zhuǎn)子的磁場方向與定子的磁場方向保持一致。每接收一個電脈沖信 號，電動機就會轉(zhuǎn)動一個固定角度。我們只需要改變繞組的通電順序就能夠改變電動機的轉(zhuǎn)動方向。 [12] （ 2）步進電機的分類 步進電機根據(jù)結(jié)構(gòu)的差異通常分為以下三類： 表 類別 反應式 步進電機 永磁式 步進電機 混合式 步進電機 結(jié)構(gòu) 有軟磁材料組成定子繞組和轉(zhuǎn)子 步進電機的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成 定子上有多相繞組、轉(zhuǎn)子上采用永磁材料 力矩 小 大 大 步距角 小（ ） 大（ 或 15o） 小 精度 差 差 好 動態(tài)性能 差 好 好 （ 3）步進電機的主要特點和特性 步進電機轉(zhuǎn)動的前提是必須添加驅(qū)動，脈沖信號時唯一能驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)的驅(qū)動信號，也就是沒有脈沖信號電機就不會運轉(zhuǎn)。能夠瞬間啟動和快速停止時步進電機的一個優(yōu)越特性。步進電機主要具有以下有點 [13]： 電機旋轉(zhuǎn)的角度 與 脈沖數(shù) 成正比； 最大的轉(zhuǎn)矩 出現(xiàn)在電機停止的位置上 ； 11 每一步的 精度 在 3%～ 5%，而且誤差不會 長期積累，上一步的誤差不會疊加到下一步，因而具有良好的位置精度； 電機具有快速 的起停和反轉(zhuǎn)響應； 步進電機沒有電刷，運行可靠，因此電機自身的軸承壽命決定了電機的壽命； 因為沒有反饋環(huán)節(jié)，故控制簡單； 脈沖信號的頻率決定了轉(zhuǎn)速，故電機有較寬的調(diào)速范圍。 （ 4）本設計采用了 28BYJ48 型進電機。 圖 圖 9 是 ULN2021 的芯片引腳圖和外形圖： 圖 8 ULN2021芯片引腳圖 12 圖 9 ULN2021外形圖 下圖是電源模塊圖 ，有兩套電源電路，其中一個是備用電路。其最大平均工作電流 2A，最大反向電壓時 1000V[15]?？刂撇贿M電機電的轉(zhuǎn)速只需要按下加速或者減速按鈕；對步進電機的方向進行控制我們只需要按下正或反轉(zhuǎn)按鈕；停止 按鈕可以隨時讓步進電機停止轉(zhuǎn)動。另外，還對步進電機和單片機的原理等知識作了說明。第二步：通過 ULN2021 產(chǎn)生的脈沖驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，顯示在 12864 上，在通過鍵盤掃描得到設定的信息；第三步：通過鍵盤按鈕里控制步進電機的運轉(zhuǎn)情況，并顯示在顯示器上 。 15 然后通過按鍵掃描得出設定速度并進行顯示。然后返回按鍵掃描，構(gòu)成循環(huán)。第二步寫指令，寫入控制指令，選擇寫入 12864 的顯示位置。第四步， 12864 內(nèi)部寫計數(shù)器計數(shù)器為 0時，顯示結(jié)束，完成一次顯示過程。 然后設定一個正反轉(zhuǎn) FLAG 標志，判斷當FLAG 標志位 ’ 1’ 為時選擇正轉(zhuǎn)，反之， FLSF 標志位位‘ 0’時選擇反轉(zhuǎn)。具體是：通過一個獨立按鍵作為外部中斷0的輸入，當有按鍵按下時，邊沿觸發(fā)，然后申請中斷，執(zhí)行中斷服務程序。這樣每按一次按鍵正反轉(zhuǎn)改變一次實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。首先設置按鍵對應單片機端口部分，然后檢測是否有低電平，當檢測到有低電平時，延時 10ms 去抖動，再次判斷是否有低電平，仍然是低電平時判斷按鍵是否釋放，當按鍵釋放時才執(zhí)行下一部程序，針對本程序，當加按鍵按下后增加轉(zhuǎn)速NUM 值就可以加速，反之，減按鍵按下后減小 NUM值從而減小速度。 18 第五章 系統(tǒng)的測試與結(jié)果分析 KEIL 是常用 的開發(fā)軟件，適應于包括大部分的單片機系統(tǒng)和部分嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。工程文件一旦生成操作者就不再需要進行文件的初始化操作，而且可以直接將程序代碼放進工程中。 表示啟動和停止調(diào)試模式； 表示打開和關閉項目窗口； 表示打開和關閉輸出窗口； 表示設置程序斷點等等可以幫助操作者進行程序的分析、差錯以及時序 的確定。該 測試 平臺的實物圖 如下 ： 圖 19 測試平臺實物圖 圈數(shù)測試 首先在步進電機轉(zhuǎn)動時開始計數(shù)，直到步進電機停止轉(zhuǎn)動，記錄電機轉(zhuǎn)動了多少圈。進而說明轉(zhuǎn)過的圈數(shù)沒有誤差。然后將其實際轉(zhuǎn)速與 先前設定的速度進行比較，下面是電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時測試的速度數(shù)據(jù) 20 表 ： 表 7 電機正轉(zhuǎn)時測試速度 數(shù)據(jù) 測試次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 設定值（ r/min） 70 80 90 100 90 80 70 實測值（ r/min） 67 77 86 96 86 77 67 表 8 電機反轉(zhuǎn)時測試速度數(shù)據(jù) 測試次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 設定值（ r/min） 70 80 90 100 90 80 70 實測值（ r/min） 68 77 87 97 87 77 68 為了更加直觀的反應實際測量速度與設定速度的誤差，我們用折線圖展現(xiàn)出來。 圖 20實測速度與設定速度折線圖 從上圖可以看出步進電機實測速度與設定速度的誤差始終保持在一定范圍，誤差沒有因為測量次數(shù)的增加而積累，所以可以認為其誤差不會長期積累。 第一次測量誤差： %%10067 7067 ???? 第二次測量誤差： %%10077 8077 ???? 21 第三次測量誤差： %%10086 9086 ???? … 第七次測量誤差： %%10067 7067 ???? 通過數(shù)據(jù)分析 可以得到步進電機的誤差始終在一定范圍內(nèi)，誤差不會積累。 證明了步進電機的轉(zhuǎn)動圈數(shù)沒有誤 ， 轉(zhuǎn)速的誤差在一定范圍內(nèi)，且不會長期積累。 22 第六章 畢業(yè)設計總結(jié) 通過近期的努力，畢業(yè)設計順利的完成了。通過這次設計，我對單片機的調(diào)試、 ULN2021 的工作原理和 12864 顯示器等都有了一些新的認識和了解。 在本設計的軟件編程方面，為了能把各個模塊的程序良好的組合在一起并能夠順利的實現(xiàn)運作，進行了大量的程序調(diào)試，需要經(jīng)幾個模塊程序一起調(diào)試，在這個過程中話費了大量的時間。 23 參考文獻 [1] 坂本正文 . 步進電機應用可以 [M].北京 :科學出版社， 2021:2345. 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